JP2005222812A - Manufacturing method of electrode for fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance the output of a fuel cell by previously mixing carbon particles with alcohol and improving wettability of the surfaces of the carbon particles before preparing electrode paste by mixing the carbon particles with cation exchange resin. <P>SOLUTION: Carbon particles containing alcohol are prepared (a first process), the carbon particles containing alcohol and a cation exchange resin solution are mixed to prepare a mixture A containing the cation exchange resin solution, the alcohol, and the carbon particles (a second process). A solvent is removed from the mixture to obtain a mixture B containing the cation exchange resin and the carbon particles (a third process). Cations of a catalyst metal are adsorbed on pair ions of the cation exchange resin in the mixture B obtained in the third process (a fourth process). And then, the cations of the catalyst metal adsorbed in the fourth process are chemically reduced (a fifth process). <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池用電極の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell electrode.

従来、燃料電池用電極の製造方法として次のようなものが知られている(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。すなわち、(1)まず、カーボン粒子と陽イオン交換樹脂のアルコール溶液とを混合した後、これを乾燥することにより、カーボンと陽イオン交換樹脂との混合物を形成する(混合物形成工程)。(2)そして、この混合物を触媒金属の陽イオンを含んだ塩溶液に浸漬し、陽イオンを混合物に含まれる陽イオン交換樹脂の対イオンに吸着させる(陽イオン吸着工程)。(3)その後、陽イオンを還元して、陽イオンを触媒金属にする(還元工程)。
なお、上記製造方法では、(1)の混合物形成工程において、混合物をシート状に成形する、あるいは、(1)の混合物形成工程においては、混合物を粉末とし、この粉末状態で陽イオンの吸着、還元を行い、その後、この粉末に溶媒を加えてスラリーとして、このスラリーをシート状に成形する。
特開2000−12041公報 特開2003−257439公報
2. Description of the Related Art Conventionally, the following methods for producing fuel cell electrodes are known (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2). That is, (1) First, carbon particles and an alcohol solution of a cation exchange resin are mixed and then dried to form a mixture of carbon and a cation exchange resin (mixture forming step). (2) Then, the mixture is immersed in a salt solution containing a catalyst metal cation, and the cation is adsorbed on the counter ion of the cation exchange resin contained in the mixture (cation adsorption step). (3) Thereafter, the cation is reduced to make the cation a catalytic metal (reduction step).
In the above production method, in the mixture forming step (1), the mixture is formed into a sheet shape. Alternatively, in the mixture forming step (1), the mixture is powdered, and cation adsorption is performed in this powder state. After reduction, a solvent is added to the powder to form a slurry, which is formed into a sheet.
JP 2000-12041 A JP 2003-257439 A

しかしながら、この製造方法では、表面の濡れ性の低いカーボン粒子と陽イオン交換樹脂のアルコール溶液とを混合しているため、カーボン粒子の表面には陽イオン交換樹脂のアルコール溶液が、不均一に付着していた。
この結果、陽イオン交換樹脂のスルフォン酸基のカーボン粒子表面における分布が不均一となり、スルフォン酸基に吸着される触媒イオン(例えばPt2+)の分布も不均一、すなわち、カーボン粒子表面における触媒イオンの分散が不十分な状態となっていた。
However, in this manufacturing method, carbon particles with low wettability on the surface and an alcohol solution of a cation exchange resin are mixed, so that the alcohol solution of the cation exchange resin adheres unevenly to the surface of the carbon particles. Was.
As a result, the distribution of the sulfonic acid groups of the cation exchange resin on the surface of the carbon particles becomes non-uniform, and the distribution of the catalyst ions (for example, Pt 2+ ) adsorbed on the sulfonic acid groups is also non-uniform. The dispersion of was inadequate.

従って、触媒イオンを還元して生成した触媒金属の分散も不十分なものとなり、できる限り小さい触媒金属粒子がカーボン粒子表面に均一の分布をもって付着している状態が理想であるが、この理想状態よりもかなり大きい触媒粒子が不均一にカーボン粒子表面に付着した状態となっていた。
よって、上述の製造方法によって製造された電極を用いた燃料電池の出力は必ずしも十分でなかった。
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、燃料電池の出力を向上させることを目的とする。
Therefore, the dispersion of the catalyst metal produced by reducing the catalyst ions is also insufficient, and the ideal condition is that the smallest possible catalyst metal particles are adhered to the carbon particle surface with a uniform distribution. In other words, catalyst particles considerably larger than the above were unevenly adhered to the surface of the carbon particles.
Therefore, the output of the fuel cell using the electrode manufactured by the above-described manufacturing method is not always sufficient.
The present invention has been completed based on the above circumstances, and an object thereof is to improve the output of a fuel cell.

本発明者等は、かかる問題点を解決し得る固体高分子型燃料電池用の電極の製造方法を開発すべく鋭意研究を重ねた。その結果、カーボン粒子と陽イオン交換樹脂とを混合して電極ペーストを調製する前に、カーボン粒子とアルコールとを予め混合して、カーボン粒子表面の濡れ性を改善することにより、カーボン粒子表面における触媒金属の分散性等が著しく改善され、燃料電池の出力が向上することを見出した。本発明は、この知見に基づいてなされたものである。   The inventors of the present invention have made extensive studies to develop a method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell that can solve such problems. As a result, before the electrode paste is prepared by mixing the carbon particles and the cation exchange resin, the carbon particles and the alcohol are mixed in advance to improve the wettability of the carbon particle surface, thereby improving the carbon particle surface. It has been found that the dispersibility of the catalyst metal is remarkably improved and the output of the fuel cell is improved. The present invention has been made based on this finding.

すなわち、請求項1の燃料電池用電極の製造方法は、アルコールを含むカーボン粒子を作製する第1の工程と、前記第1の工程で得られた前記アルコールを含むカーボン粒子と、陽イオン交換樹脂溶液とを混合して、陽イオン交換樹脂溶液とアルコールとカーボン粒子とを含む混合物Aを得る第2の工程と、前記第2の工程で得られた陽イオン交換樹脂溶液とアルコールとカーボン粒子を含む混合物Aから溶媒を除去して、陽イオン交換樹脂とカーボン粒子とを含む混合物Bを得る第3の工程と、前記第3の工程で得られた陽イオン交換樹脂とカーボン粒子とを含む混合物B中の陽イオン交換樹脂の対イオンに、触媒金属の陽イオンを吸着させる第4の工程と、前記第4の工程で陽イオン交換樹脂の対イオンに吸着した触媒金属の陽イオンを化学的に還元する第5の工程と、を経ることを特徴とする燃料電池用電極の製造方法である。
本発明の製造方法により製造された電極によって固体高分子型燃料電池の出力が向上する理由は以下のように推測される。
That is, the method for producing an electrode for a fuel cell according to claim 1 includes a first step of producing carbon particles containing alcohol, the carbon particles containing alcohol obtained in the first step, and a cation exchange resin. A second step of mixing the solution to obtain a mixture A containing a cation exchange resin solution, an alcohol and carbon particles; and the cation exchange resin solution, the alcohol and carbon particles obtained in the second step. A third step of obtaining a mixture B containing a cation exchange resin and carbon particles by removing the solvent from the mixture A containing, and a mixture containing the cation exchange resin and carbon particles obtained in the third step A fourth step of adsorbing the cation of the catalytic metal on the counter ion of the cation exchange resin in B; and a cation of the catalytic metal adsorbed on the counter ion of the cation exchange resin in the fourth step. A fifth step of biological reduction is a method for manufacturing a fuel cell electrode, characterized in that through the.
The reason why the output of the polymer electrolyte fuel cell is improved by the electrode manufactured by the manufacturing method of the present invention is estimated as follows.

まず、従来の製造方法について図1〜図3の模式図を用いて説明する。この製造方法では、まずカーボン粒子と陽イオン交換樹脂のアルコール溶液とを混合した後、これを乾燥することにより、カーボンと陽イオン交換樹脂との混合物を形成する(混合物形成工程)。この際に、混合されるカーボン粒子1の表面は、何らの処理もされておらず濡れ性が低いため、図1に示すようにその表面には陽イオン交換樹脂3が不均一に付着するものと推測される。なお、陽イオン交換樹脂3には、図1及び図2に示すような陽イオン交換基(図では、−SO )の集合したクラスター部分5が存在するものと考えられている。このクラスター部分5では、陽イオン交換基が環状に集合したものが樹脂層の厚み方向に積み重なるように配置され、全体として筒状配置となっているものと考えられる(図2はその筒状のクラスター部分5の断面図を示している)。 First, the conventional manufacturing method is demonstrated using the schematic diagram of FIGS. In this production method, first, carbon particles and an alcohol solution of a cation exchange resin are mixed and then dried to form a mixture of carbon and a cation exchange resin (mixture formation step). At this time, the surface of the carbon particles 1 to be mixed is not treated at all and has low wettability, so that the cation exchange resin 3 adheres unevenly to the surface as shown in FIG. It is guessed. Note that the cation exchange resin 3, (in the figure, -SO 3 -) cation exchange groups such as shown in FIGS. 1 and 2 are believed to cluster portion 5 which assembled is present. In this cluster portion 5, it is considered that a collection of cation exchange groups in a ring shape is arranged so as to be stacked in the thickness direction of the resin layer, and the whole is arranged in a cylindrical shape (FIG. 2 shows the cylindrical shape). A cross-sectional view of the cluster portion 5 is shown).

次に、この混合物を触媒金属の陽イオンを含んだ塩溶液に浸漬し、陽イオンを吸着させる(陽イオン吸着工程)。すると、図2に示すように、クラスター部分5に触媒金属の陽イオン(例えば、Pt2+)が吸着されるものと考えられる(なお、図2は、図1の陽イオン交換樹脂3部分の1つを拡大した模式図である)。その後、陽イオンを還元すると、図3に示すように触媒金属粒子7がカーボン粒子表面に担持された状態になると考えられる。 Next, this mixture is immersed in a salt solution containing a cation of a catalytic metal to adsorb the cation (cation adsorption step). Then, as shown in FIG. 2, it is considered that the cation (for example, Pt 2+ ) of the catalyst metal is adsorbed on the cluster portion 5 (note that FIG. 2 shows 1 of the cation exchange resin 3 portion of FIG. This is an enlarged schematic diagram. Thereafter, when the cations are reduced, it is considered that the catalytic metal particles 7 are supported on the surfaces of the carbon particles as shown in FIG.

次に、本発明の製造方法について説明する。なお、以下の説明では、カーボン粒子の径は、図1〜図3の従来のものと同一とするとともに、カーボン粒子に付着させる陽イオン交換樹脂の量も、カーボン粒子に対して図1〜図3の従来のものと同一量とする。
この製造方法では、カーボン粒子とアルコールとを混合して、アルコールを含むカーボン粒子を作製する(第1の工程)。この工程によってカーボン粒子の表面にアルコールが付着して、表面の濡れ性が向上する。
Next, the manufacturing method of this invention is demonstrated. In the following description, the diameter of the carbon particles is the same as that of the conventional one shown in FIGS. 1 to 3, and the amount of the cation exchange resin attached to the carbon particles is also the same as that shown in FIGS. The same amount as the conventional one of No. 3.
In this manufacturing method, carbon particles and alcohol are mixed to produce carbon particles containing alcohol (first step). By this step, alcohol adheres to the surface of the carbon particles and the wettability of the surface is improved.

次に、第1の工程で得られたアルコールを含むカーボン粒子と、陽イオン交換樹脂溶液とを混合して、陽イオン交換樹脂溶液とアルコールとカーボン粒子とを含む混合物Aを得る(第2の工程)。この際、混合されるカーボン粒子1の表面は、アルコールによって既に湿潤しており、濡れ性が高くなっているから、図4に示すように、その表面には陽イオン交換樹脂3が均一に付着するものと推測される。なお、カーボン粒子表面の陽イオン交換樹脂層の厚みは、従来のものと比較して薄くなる。   Next, the carbon particles containing the alcohol obtained in the first step and the cation exchange resin solution are mixed to obtain a mixture A containing the cation exchange resin solution, the alcohol and the carbon particles (second product). Process). At this time, since the surfaces of the carbon particles 1 to be mixed are already wetted with alcohol and have high wettability, the cation exchange resin 3 uniformly adheres to the surfaces as shown in FIG. Presumed to be. In addition, the thickness of the cation exchange resin layer on the surface of the carbon particles is thinner than that of the conventional one.

次に、第2の工程で得られた陽イオン交換樹脂溶液とアルコールとカーボン粒子を含む混合物Aから溶媒を除去して、陽イオン交換樹脂とカーボン粒子とを含む混合物Bを得る(第3の工程)。溶媒を除去する方法としては、加熱乾燥、減圧乾燥、超音波照射等の方法を用いることができる。ここで得られた陽イオン交換樹脂とカーボン粒子との混合物には、陽イオン交換樹脂溶液の溶媒やアルコールは、ほとんど含まれていない。また、得られた混合物においては、カーボン粒子の表面およびカーボン粒子のメソポア内部に陽イオン交換樹脂の被膜が形成される。
次に、第3の工程で得られた陽イオン交換樹脂とカーボン粒子とを含む混合物B中の陽イオン交換樹脂の対イオンに、触媒金属の陽イオンを吸着させる(第4の工程)。
ここでクラスター部分5では、上述のように陽イオン交換基が環状に集合したものが樹脂層の厚み方向に積み重なるように配置されているものと推測されるから、樹脂層の厚みが薄い本製造方法では、1つのクラスター部分5当たりの陽イオン交換基数は、図5に示すように従来法で調製したもの(図2参照)よりも減少すると考えられる。よって、クラスター部分5一つあたりに吸着する陽イオン数も減少する。
Next, the solvent is removed from the mixture A containing the cation exchange resin solution, the alcohol and the carbon particles obtained in the second step to obtain a mixture B containing the cation exchange resin and the carbon particles (third Process). As a method for removing the solvent, methods such as heat drying, reduced pressure drying, and ultrasonic irradiation can be used. The mixture of the cation exchange resin and the carbon particles obtained here contains almost no solvent or alcohol of the cation exchange resin solution. Further, in the obtained mixture, a cation exchange resin film is formed on the surfaces of the carbon particles and the mesopores of the carbon particles.
Next, the cation of the catalyst metal is adsorbed on the counter ion of the cation exchange resin in the mixture B containing the cation exchange resin and carbon particles obtained in the third step (fourth step).
Here, in the cluster portion 5, it is assumed that the cation exchange groups gathered in a ring shape as described above are arranged so as to be stacked in the thickness direction of the resin layer. In the method, it is considered that the number of cation exchange groups per one cluster portion 5 is smaller than that prepared by the conventional method (see FIG. 2) as shown in FIG. Therefore, the number of cations adsorbed per cluster portion 5 is also reduced.

次に、第4の工程で陽イオン交換樹脂の対イオンに吸着した触媒金属の陽イオンを化学的に還元する(第5の工程)。ここで、クラスター部分5一つあたりに吸着している陽イオン数が、従来の製造方法によるものよりも減少しているから、図6に示すように陽イオンが還元されて生成した触媒金属粒子7も、従来のものよりも、その粒子径が小さくなるものと考えられる。
また、本製造方法では、図4に示すようにカーボン粒子1の表面には陽イオン交換樹脂3が均一に付着し、クラスター部分5も従来法のものよりカーボン粒子表面に分散した状態となるから、クラスター部分5に吸着された陽イオンが還元されて生成した触媒金属粒子7もカーボン粒子表面で高度に分散された状態となる(図6参照)。
Next, the cation of the catalyst metal adsorbed on the counter ion of the cation exchange resin in the fourth step is chemically reduced (fifth step). Here, since the number of cations adsorbed per cluster portion 5 is smaller than that by the conventional manufacturing method, the catalytic metal particles produced by reducing the cations as shown in FIG. 7 is also considered to have a smaller particle size than the conventional one.
Moreover, in this manufacturing method, as shown in FIG. 4, the cation exchange resin 3 is uniformly attached to the surface of the carbon particle 1, and the cluster portion 5 is also more dispersed on the carbon particle surface than the conventional method. The catalytic metal particles 7 produced by reduction of the cations adsorbed on the cluster portion 5 are also highly dispersed on the carbon particle surfaces (see FIG. 6).

以上のことから、本発明の製造方法によれば、カーボン粒子表面に担持された触媒金属粒子7の粒子径を従来法で調製されたものよりも小さくすることができ、かつカーボン粒子表面において高度に分散した状態とすることができる。
よって、本発明の製造方法による電極は、たとえ従来法で製造された電極と同一重量の触媒金属粒子を備えたものであっても、触媒金属粒子7の径が小さくなるため、触媒金属粒子の表面積が従来のものと比較して飛躍的に増加する。さらに、触媒金属粒子がカーボン粒子の表面で均一に分散して電極反応が表面で均一に起きる。よって、本発明の製造方法による電極を用いた燃料電池の出力は、従来の製造方法による電極を用いた燃料電池に比べて向上するものと推測される。
From the above, according to the production method of the present invention, the particle diameter of the catalytic metal particles 7 supported on the carbon particle surface can be made smaller than that prepared by the conventional method, and the surface of the carbon particle is highly advanced. It can be in a state of being dispersed.
Therefore, even if the electrode by the manufacturing method of the present invention is provided with catalyst metal particles having the same weight as the electrode manufactured by the conventional method, the diameter of the catalyst metal particles 7 is small. The surface area increases dramatically compared to the conventional one. Furthermore, the catalytic metal particles are uniformly dispersed on the surface of the carbon particles, and the electrode reaction occurs uniformly on the surface. Therefore, it is estimated that the output of the fuel cell using the electrode by the manufacturing method of the present invention is improved as compared with the fuel cell using the electrode by the conventional manufacturing method.

以下、順に各工程について詳細に説明する。
まず、カーボン粒子とアルコールとを混合して、アルコールを含むカーボン粒子を作製する第1の工程を説明する。
カーボン粒子としては、特に限定されず、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ランプブラック、サーマルブラック、チャンネルブラックのいずれでも用いることできるが、触媒原料化合物(例えば、金属塩、金属錯体)の還元に対して高い活性を示すものが好ましく、例えば、白金族金属の化合物を用いる場合には、たとえば、デンカブラック、バルカン XC-72、ケッチェンブラックEC、ブラックパール2000等の、カーボンブラックが好ましい。
Hereinafter, each process will be described in detail in order.
First, the first step of mixing carbon particles and alcohol to produce carbon particles containing alcohol will be described.
The carbon particles are not particularly limited, and any of furnace black, acetylene black, lamp black, thermal black, and channel black can be used. However, the carbon particles are high in reduction of the catalyst raw material compound (for example, metal salt, metal complex). For example, when a platinum group metal compound is used, carbon black such as Denka Black, Vulcan XC-72, Ketjen Black EC, and Black Pearl 2000 is preferable.

カーボン粒子の比表面積は、特に限定されないが、好ましくは50〜1500m/gであり、さらに好ましくは50〜1000m/gである。
このように比表面積を50〜1500m/gとすると、カーボン粒子の表面に触媒金属粒子を高分散状態で担持することができる。
すなわち、カーボン粒子の比表面積が50m/gよりも小さい場合には、触媒金属粒子をカーボン粒子表面で担持する場所が少なくなる。
このため、触媒金属粒子が分散されず、局在化するおそれがある。
一方、カーボン粒子の比表面積が1500m/gより大きい場合には、表面積が大きすぎてカーボン粒子表面を均一に陽イオン交換樹脂で被覆できないおそれがある。つまり、表面全体を被覆するのに必要な陽イオン交換樹脂が不足するおそれがある。
なお、比表面積は、BET比表面積を意味し、例えば、島津製作所製、マイクロメリテックス、ジェニミ2370を使用して測定できる。
The specific surface area of the carbon particles is not particularly limited, but is preferably 50 to 1500 m 2 / g, and more preferably 50 to 1000 m 2 / g.
Thus, when the specific surface area is 50 to 1500 m 2 / g, the catalyst metal particles can be supported in a highly dispersed state on the surfaces of the carbon particles.
That is, when the specific surface area of the carbon particles is smaller than 50 m 2 / g, the number of places where the catalytic metal particles are supported on the surface of the carbon particles is reduced.
For this reason, there is a possibility that the catalyst metal particles are not dispersed and localized.
On the other hand, if the specific surface area of the carbon particles is larger than 1500 m 2 / g, the surface area may be too large to uniformly coat the carbon particle surfaces with the cation exchange resin. That is, there is a possibility that the cation exchange resin necessary for covering the entire surface is insufficient.
The specific surface area means a BET specific surface area and can be measured using, for example, Shimadzu Corporation, Micromeritex, Jenimi 2370.

アルコールとしては、特に限定されず、周知のものを使用できるが、炭素数4以下の1価のアルコールが、陽イオン交換樹脂との親和性が高く、カーボン粒子表面の陽イオン交換樹脂溶液に対する濡れ性を改善するため好ましい。特に、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、2−メチル−2−プロパノール、1−ブタノール、及び2−ブタノールからなる群より選ばれた少なくとも1つのアルコールが好ましい。   The alcohol is not particularly limited, and a well-known alcohol can be used. However, a monovalent alcohol having 4 or less carbon atoms has high affinity with the cation exchange resin, and the carbon particle surface is wetted with the cation exchange resin solution. It is preferable for improving the property. In particular, at least one alcohol selected from the group consisting of methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 2-methyl-2-propanol, 1-butanol, and 2-butanol is preferable.

カーボン粒子とアルコールとの混合割合は、特に限定されず、アルコールを含むカーボン粒子は、アルコールの割合が多い場合にはスラリー状となり、アルコールの割合が少ない場合には粉末状となる。ただし、カーボン粒子1重量部に対してアルコールを5〜20重量部の割合が好ましく、カーボン粒子1重量部に対してアルコールを5〜15重量部の割合がさらに好ましく、カーボン粒子1重量部に対してアルコールを5〜10重量部の割合で混合することが特に好ましい。
この範囲よりも少なくなると、アルコールがカーボン粒子の表面全体に行き渡りにくくなり、アルコールによるカーボン粒子表面の濡れ性の改善が不十分となる傾向にある。一方、この範囲よりも多くなると、後述する陽イオン交換樹脂とアルコールとカーボン粒子を含む混合物の粘度が低くなりすぎるため、その取り扱い(例えば、シートへの成形)が困難となる傾向にある。
The mixing ratio of the carbon particles and the alcohol is not particularly limited, and the carbon particles containing alcohol are in a slurry form when the alcohol ratio is high, and are in a powder form when the alcohol ratio is low. However, the ratio of 5 to 20 parts by weight of alcohol with respect to 1 part by weight of carbon particles is preferable, the ratio of 5 to 15 parts by weight of alcohol with respect to 1 part by weight of carbon particles is more preferable, It is particularly preferable to mix the alcohol at a ratio of 5 to 10 parts by weight.
When the amount is less than this range, the alcohol hardly spreads over the entire surface of the carbon particles, and the improvement of the wettability of the carbon particle surface by the alcohol tends to be insufficient. On the other hand, if it exceeds this range, the viscosity of a mixture containing a cation exchange resin, alcohol and carbon particles, which will be described later, becomes too low, and its handling (for example, molding into a sheet) tends to be difficult.

次に、第1の工程で得られたアルコールを含むカーボン粒子と、陽イオン交換樹脂溶液とを混合して、陽イオン交換樹脂溶液とアルコールとカーボン粒子とを含む混合物Aを得る第2の工程を説明する。
この工程で使用する陽イオン交換樹脂としては、特に限定されず、公知の陽イオン交換樹脂を用いることができ、例えば、パーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂、スチレン−ジビニルベンゼン系のスルホン酸型陽イオン交換樹脂を用いることができる。
Next, the second step of obtaining the mixture A containing the cation exchange resin solution, the alcohol and the carbon particles by mixing the carbon particles containing the alcohol obtained in the first step and the cation exchange resin solution. Will be explained.
The cation exchange resin used in this step is not particularly limited, and a known cation exchange resin can be used. For example, perfluorosulfonic acid ion exchange resin, styrene-divinylbenzene sulfonic acid type cation resin. An ion exchange resin can be used.

なお、アルコールを含むカーボン粒子に、陽イオン交換樹脂溶液を混合する際には、アルコール溶液が好ましい。なお、陽イオン交換樹脂の溶液を調製する際のアルコールとしては、特に限定されず、公知のものを使用できるが、炭素数4以下の1価のアルコールが好ましい。炭素数4以下の1価のアルコール溶液は、前述の第1の工程により湿潤したカーボン粒子表面との親和性が高いからである。特に、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、2−メチル−2−プロパノール、1−ブタノール、及び2−ブタノールからなる群より選ばれた少なくとも1つのアルコールが好ましい。また、溶液とする場合には、その溶液濃度は特に限定されない。   In addition, when mixing a cation exchange resin solution with the carbon particle containing alcohol, an alcohol solution is preferable. In addition, it does not specifically limit as alcohol at the time of preparing the solution of a cation exchange resin, Although a well-known thing can be used, C4 or less monohydric alcohol is preferable. This is because the monovalent alcohol solution having 4 or less carbon atoms has high affinity with the surface of the carbon particles wetted by the first step. In particular, at least one alcohol selected from the group consisting of methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 2-methyl-2-propanol, 1-butanol, and 2-butanol is preferable. Moreover, when setting it as a solution, the solution density | concentration is not specifically limited.

また、陽イオン交換樹脂溶液とアルコールを含むカーボン粒子を混合する際には、カーボン粒子重量と、陽イオン交換樹脂の固形分重量との比は特に限定されないが、好ましくは8:2〜2:8(重量比)であり、さらに好ましくは、7:3〜3:7(重量比)であり、特に好ましくは4:6〜6:4(重量比)である。この範囲よりも陽イオン交換樹脂の重量比が大きくなるとカーボン粒子同士の接触が陽イオン交換樹脂によって阻害されるので、電子伝導経路が遮断される傾向にあり、その結果、電極内部の抵抗が増大し、性能が低下するおそれがあるからである。
一方、この範囲よりも陽イオン交換樹脂の重量比が小さくなると、陽イオン交換樹脂同士が繋がらないので(分断された状態となるので)、プロトンの伝達経路が遮断される傾向にある。よって、プロトンの供給が阻害されて電極反応が進まなくなり、性能が低下するおそれがあるからである。
In addition, when mixing the cation exchange resin solution and the alcohol-containing carbon particles, the ratio of the weight of the carbon particles to the solid content weight of the cation exchange resin is not particularly limited, but preferably 8: 2 to 2: 8 (weight ratio), more preferably 7: 3 to 3: 7 (weight ratio), and particularly preferably 4: 6 to 6: 4 (weight ratio). When the weight ratio of the cation exchange resin is larger than this range, the contact between the carbon particles is hindered by the cation exchange resin, so that the electron conduction path tends to be blocked, and as a result, the resistance inside the electrode increases. This is because the performance may be degraded.
On the other hand, if the weight ratio of the cation exchange resin is smaller than this range, the cation exchange resins are not connected to each other (because they are in a separated state), so that the proton transmission path tends to be blocked. Therefore, the supply of protons is hindered and the electrode reaction does not proceed, and the performance may be reduced.

次に、第2の工程で得られた陽イオン交換樹脂溶液とアルコールとカーボン粒子を含む混合物Aから溶媒を除去して、陽イオン交換樹脂とカーボン粒子とを含む混合物Bを得る第3の工程について説明する。
この工程では、例えば、第2の工程で得られた陽イオン交換樹脂溶液とアルコールとカーボンとの混合物Aを、支持体(例えばPTFE等の高分子シート)上に塗布し、この混合物から乾燥等のよって溶媒を除去することにより、陽イオン交換樹脂とカーボンとの混合物からなるシートとすることができる。なお、このシートは、後述する第4の工程(吸着)および第5の工程(還元)とを経て、そのまま燃料電池用電極(触媒層からなる電極)として用いることができる。
なお、陽イオン交換樹脂溶液とアルコールとカーボンとの混合物をシートに成形するためには、任意の成形方法、例えば、ローラで圧延する方法、ドクターブレードを用いて塗布する方法、スプレーで吹き付ける方法を用いることができる。
また、乾燥後のシートの厚みは特に限定されないが、好ましくは5〜100μmであり、さらに好ましくは、10〜80μmであり、特に好ましくは20〜50μmである。この範囲よりも厚くなると、後述する第4の工程で、シート内部まで塩溶液がしみ込まず、電極内部のカーボン粒子表面に触媒金属が担持されないおそれがあるからである。
この範囲よりも薄くなると、シートに担持可能な触媒金属粒子が少なすぎて、安定した燃料電池性能(セル性能)を保証できなくなる傾向にあるからである。
Next, the third step of obtaining the mixture B containing the cation exchange resin and the carbon particles by removing the solvent from the mixture A containing the cation exchange resin solution, the alcohol and the carbon particles obtained in the second step. Will be described.
In this step, for example, the mixture A of the cation exchange resin solution, alcohol and carbon obtained in the second step is applied onto a support (for example, a polymer sheet such as PTFE), and dried from this mixture. Therefore, by removing the solvent, a sheet made of a mixture of a cation exchange resin and carbon can be obtained. This sheet can be used as it is as a fuel cell electrode (electrode comprising a catalyst layer) through a fourth step (adsorption) and a fifth step (reduction) described later.
In order to form a mixture of a cation exchange resin solution, alcohol and carbon into a sheet, an arbitrary forming method such as a method of rolling with a roller, a method of applying using a doctor blade, or a method of spraying with a spray is used. Can be used.
The thickness of the dried sheet is not particularly limited, but is preferably 5 to 100 μm, more preferably 10 to 80 μm, and particularly preferably 20 to 50 μm. If the thickness is larger than this range, the salt solution does not penetrate into the sheet in the fourth step described later, and the catalyst metal may not be supported on the surface of the carbon particles inside the electrode.
This is because if the thickness is less than this range, there are too few catalyst metal particles that can be supported on the sheet, and there is a tendency that stable fuel cell performance (cell performance) cannot be guaranteed.

また、第3の工程では、必ずしも、陽イオン交換樹脂溶液とアルコールとカーボンとの混合物をシートに成形する必要はなく、第3の工程において、この混合物から溶媒を除去して、陽イオン交換樹脂とカーボンとの混合物とし、これを粉末状にしてもよい。この場合には、粉末状態で陽イオンの吸着および還元を行って、その後、得られた粉末にアルコール等の溶媒を加えてスラリーとして、このスラリーをシート状に成形する。
粉末状に乾燥する場合には、例えば、陽イオン交換樹脂溶液とアルコールとカーボンとの混合物を単に乾燥させてもよいが、吸引濾過を併用してもよい。具体的には、陽イオン交換樹脂溶液とアルコールとカーボンとの混合物を一旦、吸引濾過し、さらに乾燥させてもよい。また、吸引濾過、乾燥を繰り返してもよい。
In the third step, it is not always necessary to form a mixture of a cation exchange resin solution, alcohol and carbon into a sheet. In the third step, the solvent is removed from the mixture, and the cation exchange resin is removed. And a mixture of carbon and carbon may be used. In this case, adsorption and reduction of cations are performed in a powder state, and then a solvent such as alcohol is added to the obtained powder to form a slurry, which is formed into a sheet.
In the case of drying in a powder form, for example, a mixture of a cation exchange resin solution, alcohol and carbon may be simply dried, or suction filtration may be used in combination. Specifically, a mixture of a cation exchange resin solution, alcohol and carbon may be once subjected to suction filtration and further dried. Further, suction filtration and drying may be repeated.

次に、第3の工程で得られた陽イオン交換樹脂とカーボン粒子とを含む混合物B中の陽イオン交換樹脂の対イオンに、触媒金属の陽イオンを吸着させる第4の工程について詳細に説明する。なお、陽イオン交換樹脂とカーボン粒子との混合物は、シート状、粉末状のいずれの形態であってもよい。   Next, the fourth step of adsorbing the cation of the catalytic metal to the counter ion of the cation exchange resin in the mixture B containing the cation exchange resin and carbon particles obtained in the third step will be described in detail. To do. The mixture of the cation exchange resin and the carbon particles may be in a sheet form or a powder form.

ここで、触媒金属としては、特に限定されないが、電気化学的な酸素の還元反応、水素の酸化反応に対する触媒活性が高い金属が適しており、例えば、白金,ロジウム,ルテニウム,イリジウム,パラジウム,オスニウムなどの白金族金属及びその合金が好ましい。
特に、アノード側の電極に用いる触媒金属としては、白金金属を含む合金、例えば白金とルテニウムとを含む合金は耐CO被毒性(耐一酸化炭素被毒性)が高いことから好ましい。
また、マグネシウム、アルミニウム、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、銀及びタングステンよりなる群の中から選ばれた少なくとも1つの元素と、白金属金属とを含む合金を触媒金属として用いた場合には、白金金属使用量を低減できること、耐CO被毒性が向上すること、酸素の還元反応に対する高い活性が得られるという効果が得られる。
また、触媒金属の陽イオンを含んだ塩としては、金属塩や錯体の塩(錯塩)、特に[Pt(NH3)4]X2、[Pt(NH3)6]X4、[Rh(NH3)6]X3、[Ru(NH3)6]X3、[Ir(NH3)6]X3、[Pd(NH3)4]X・H2O、[Os(NH3)6]X3等とあらわされることができるアンミン錯体の塩が好ましい。なお、塩は複数種混合して用いても良いし、複塩でもよい。例えば、 白金化合物とルテニウム化合物とを混ぜて用いることで、還元により、白金−ルテニウム合金の形成が期待できる。
また、塩溶液の溶媒は基本的には水であるが、他の溶媒を混合してもよい。
塩溶液の濃度は特に限定されない。
Here, the catalyst metal is not particularly limited, but a metal having high catalytic activity for electrochemical oxygen reduction reaction and hydrogen oxidation reaction is suitable, for example, platinum, rhodium, ruthenium, iridium, palladium, osnium. Platinum group metals such as and their alloys are preferred.
In particular, as a catalyst metal used for the anode-side electrode, an alloy containing platinum metal, for example, an alloy containing platinum and ruthenium is preferable because of its high resistance to CO poisoning (carbon monoxide resistance).
Further, an alloy containing at least one element selected from the group consisting of magnesium, aluminum, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, silver and tungsten, and a white metal metal is used as a catalyst metal. When used as, it is possible to obtain the effects that the amount of platinum metal used can be reduced, the CO poisoning resistance is improved, and a high activity for oxygen reduction reaction is obtained.
In addition, as a salt containing a cation of a catalytic metal, a salt of a metal salt or a complex (complex salt), particularly [Pt (NH 3 ) 4 ] X 2 , [Pt (NH 3 ) 6 ] X 4 , [Rh ( NH 3 ) 6 ] X 3 , [Ru (NH 3 ) 6 ] X 3 , [Ir (NH 3 ) 6 ] X 3 , [Pd (NH 3 ) 4 ] X · H 2 O, [Os (NH 3 ) 6 ] A salt of an ammine complex that can be represented as X 3 or the like is preferred. In addition, a plurality of types of salts may be mixed and used, or a double salt may be used. For example, by using a mixture of a platinum compound and a ruthenium compound, formation of a platinum-ruthenium alloy can be expected by reduction.
The solvent of the salt solution is basically water, but other solvents may be mixed.
The concentration of the salt solution is not particularly limited.

次に、第4の工程で陽イオン交換樹脂の対イオンに吸着した触媒金属の陽イオンを化学的に還元する第5の工程について説明する。
この第5の工程における還元方法は、特に限定されず、周知の方法、例えば還元剤を用いる化学的な還元方法、水素ガス若しくは水素含有ガスによって気相還元する方法、ヒドラジンを含む不活性ガスによって気相還元する方法等が用いられる。なお、還元条件(還元剤の種類、還元圧力、還元剤濃度、還元時間、還元温度等)は、吸着させる陽イオンの種類等によって適宜選択することができる。
Next, the fifth step of chemically reducing the cation of the catalytic metal adsorbed on the counter ion of the cation exchange resin in the fourth step will be described.
The reduction method in the fifth step is not particularly limited, and may be a well-known method such as a chemical reduction method using a reducing agent, a gas phase reduction method using hydrogen gas or a hydrogen-containing gas, or an inert gas containing hydrazine. A gas phase reduction method or the like is used. The reducing conditions (reducing agent type, reducing pressure, reducing agent concentration, reducing time, reducing temperature, etc.) can be appropriately selected depending on the type of cation to be adsorbed.

以上の、各工程を経て燃料電池用電極が製造される。なお、上述の第3の工程で、陽イオン交換樹脂とカーボンとの混合物をシート状に成形した場合には、第5の工程で還元したの後に、そのシートが触媒金属を担持した触媒層からなる燃料電池用電極となる。また、第3の工程で、陽イオン交換樹脂とカーボンとの混合物を乾燥させて粉末状にした場合には、第5の工程で還元したの後に、この粉末にアルコール等の溶媒を加えてスラリーとし、このスラリーをシート状に成形して触媒層からなる燃料電池用電極とする。
なお、燃料電池用電極における触媒金属の担持量は特に限定されず、塩溶液の濃度や陽イオン交換樹脂における陽イオン交換基の導入率等によってコントロールすることができ、例えば、触媒金属の担持量を0.01〜0.05mg cm−2とすることができる。
The fuel cell electrode is manufactured through the above steps. When the mixture of the cation exchange resin and carbon is formed into a sheet in the third step, after the reduction in the fifth step, the sheet is removed from the catalyst layer carrying the catalyst metal. It becomes the electrode for fuel cells. In the third step, when the mixture of the cation exchange resin and carbon is dried to form a powder, after reduction in the fifth step, a solvent such as alcohol is added to the powder to form a slurry. The slurry is formed into a sheet shape to obtain a fuel cell electrode comprising a catalyst layer.
The amount of catalyst metal supported on the fuel cell electrode is not particularly limited and can be controlled by the concentration of the salt solution or the rate of introduction of cation exchange groups in the cation exchange resin. For example, the amount of catalyst metal supported Can be 0.01 to 0.05 mg cm −2 .

さらに、上述の燃料電池用電極を用いて、例えば、以下のようにして燃料電池が組み立てられる。
すなわち、陽イオン交換膜の両側に燃料電池用電極(触媒層)を重ねた状態で、陽イオン交換膜のガラス転移点以上の温度でホットプレスして、膜−電極接合体(MEA:membrane-electrode-assembly)を作製する。
この膜−電極接合体の両側にカーボン繊維等からなるガス拡散層を積層し、さらに、その両外側にガスケットを介してセパレータ(バイポーラプレート)を密着して積層することによって燃料電池とする。
なお、膜−電極接合体の作製の際に用いる陽イオン交換膜としては、特に限定されず、周知の高分子電解質膜、例えば、スルホン酸基を持つフッ素樹脂系イオン交換膜(例えば、ペルフルオロスルホン酸型陽イオン交換膜)、スチレン−ジビニルベンゼン系のスルホン酸型陽イオン交換膜を使用することができる。
Further, using the above-described fuel cell electrode, for example, a fuel cell is assembled as follows.
That is, with the fuel cell electrodes (catalyst layers) stacked on both sides of the cation exchange membrane, hot pressing is performed at a temperature equal to or higher than the glass transition point of the cation exchange membrane to form a membrane-electrode assembly (MEA). electrode-assembly).
A gas diffusion layer made of carbon fiber or the like is laminated on both sides of the membrane-electrode assembly, and a separator (bipolar plate) is adhered and laminated on both outer sides via gaskets to obtain a fuel cell.
The cation exchange membrane used for the production of the membrane-electrode assembly is not particularly limited, and is a well-known polymer electrolyte membrane, for example, a fluororesin ion exchange membrane having a sulfonic acid group (for example, perfluorosulfone). Acid-type cation exchange membranes) and styrene-divinylbenzene-based sulfonic acid-type cation exchange membranes can be used.

本発明の製造方法により作製された電極を用いると、燃料電池の出力が向上する。   When the electrode produced by the production method of the present invention is used, the output of the fuel cell is improved.

以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。
1.実施例1
まず、カーボン粒子(Vulcan XC-72(キャボット社)1.0g)とイソプロピルアルコール(10g)とをハイブリッドミキサー(HM−500、キーエンス社)を用いて混合し、アルコールを含むカーボン粒子を得た。
次にスラリー11gに、陽イオン交換樹脂溶液(アルドリッチ社製、catalog no. 27470-4のナフィオン5wt%溶液を80℃で加熱濃縮し、ナフィオン10wt%溶液とした溶液)6.7gを加え、ハイブリッドミキサー(HM−500、キーエンス社)を用いて混合して、陽イオン交換樹脂とアルコールとカーボン粒子との混合物を調製した。なお、この混合物中では、カーボン粒子の重量:陽イオン交換樹脂の固形分の重量=60:40となっている。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
1. Example 1
First, carbon particles (Vulcan XC-72 (Cabot) 1.0 g) and isopropyl alcohol (10 g) were mixed using a hybrid mixer (HM-500, Keyence) to obtain carbon particles containing alcohol.
Next, 6.7 g of a cation exchange resin solution (a solution of Alfrich, catalog no. 27470-4 Nafion 5 wt% solution heated to 80 ° C. to obtain a Nafion 10 wt% solution) was added to 11 g of the slurry. Mixing was performed using a mixer (HM-500, Keyence) to prepare a mixture of a cation exchange resin, alcohol and carbon particles. In this mixture, the weight of carbon particles: weight of the solid content of the cation exchange resin = 60: 40.

次に、この陽イオン交換樹脂とアルコールとカーボン粒子との混合物を高分子シート(PTFEシート、膜厚25μm)に塗布した後、自然乾燥することによって、陽イオン交換樹脂とカーボン粒子との混合物である白金未担持電極の触媒層(厚み30μm)を得た。この白金未担持電極の触媒層を50mmol/lの[Pt(NH]Clの水溶液(60℃)に6時間浸漬することによって、触媒層に[Pt(NH2+を吸着させた。
次にこの電極を脱イオン水で3回洗浄したのちに、脱イオン水(60℃)に1時間浸漬した。そのあと、乾燥器(60℃)でその電極を24時間乾燥した。さらに、触媒層に吸着させた[Pt(NH2+を0.15MPa、180℃の水素雰囲気中で6時間還元することによって、触媒層に白金を析出させた。このようにして白金担持電極(白金担持量0.035mg cm−2)を作製した。この電極を5cm×5cm(25cm)の大きさに打ち抜いた後、ホットプレス(95℃、232kg cm−2、3分間保持)によって、陽イオン交換膜(ナフィオン115、デュポン社製)の両側に接合することによって、電極−陽イオン交換膜−電極の接合体を作製した。さらに、この接合体を硫酸(0.5mol l−1、80℃)に1時間浸漬したのち、脱イオン水(80℃)に1時間浸漬することによって、電極中の還元されなかった[Pt(NH2+を溶出させた。そして、この接合体の両側にカーボン繊維等からなるガス拡散層(大日本インキ製、アウスポンE02、厚さ0.2mm)を積層し、さらに、その両外側にガスケットを介してセパレータ(バイポーラプレート)を密着して積層することによって燃料電池Aとした。
Next, the mixture of the cation exchange resin, alcohol and carbon particles is applied to a polymer sheet (PTFE sheet, film thickness 25 μm) and then naturally dried to obtain a mixture of the cation exchange resin and the carbon particles. A catalyst layer (thickness 30 μm) of a platinum unsupported electrode was obtained. The catalyst layer of the platinum-unsupported electrode was immersed in an aqueous solution (60 ° C.) of 50 mmol / l [Pt (NH 3 ) 4 ] Cl 2 for 6 hours, whereby [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ was added to the catalyst layer. Adsorbed.
Next, this electrode was washed with deionized water three times and then immersed in deionized water (60 ° C.) for 1 hour. Thereafter, the electrode was dried in a dryer (60 ° C.) for 24 hours. Furthermore, [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ adsorbed on the catalyst layer was reduced in a hydrogen atmosphere of 0.15 MPa and 180 ° C. for 6 hours to deposit platinum on the catalyst layer. Thus, a platinum carrying electrode (platinum carrying amount 0.035 mg cm −2 ) was produced. This electrode was punched to a size of 5 cm × 5 cm (25 cm 2 ), and then hot-pressed (95 ° C., 232 kg cm −2 , held for 3 minutes) on both sides of the cation exchange membrane (Nafion 115, manufactured by DuPont). By bonding, an electrode-cation exchange membrane-electrode assembly was produced. Further, the joined body was immersed in sulfuric acid (0.5 mol l −1 , 80 ° C.) for 1 hour, and then immersed in deionized water (80 ° C.) for 1 hour, whereby the electrode was not reduced [Pt ( NH 3) 4] was eluted 2+. A gas diffusion layer (Dainippon Ink, Auspon E02, thickness 0.2 mm) made of carbon fiber or the like is laminated on both sides of the joined body, and a separator (bipolar plate) is interposed on both outer sides via gaskets. Are closely stacked to form a fuel cell A.

2.比較例1
まず、カーボン粒子(Vulcan XC-72(キャボット社))1.0gに陽イオン交換樹脂溶液(アルドリッチ社製、catalog no. 27470-4のナフィオン5wt%溶液)13.4gを加え、ハイブリッドミキサー(HM−500、キーエンス社)を用いて混合して、陽イオン交換樹脂溶液とカーボン粒子との混合物を調製した。なお、この混合物中では、カーボン粒子の重量:陽イオン交換樹脂の固形分の重量=60:40となっている。
2. Comparative Example 1
First, 13.4 g of a cation exchange resin solution (manufactured by Aldrich, 5% by weight Nafion 5 wt% solution of catalog no. 27470-4) was added to 1.0 g of carbon particles (Vulcan XC-72 (Cabot)), and a hybrid mixer (HM -500, Keyence Corporation) to prepare a mixture of the cation exchange resin solution and the carbon particles. In this mixture, the weight of carbon particles: weight of the solid content of the cation exchange resin = 60: 40.

次に、この陽イオン交換樹脂溶液とカーボン粒子との混合物を高分子シート(PTFEシート、膜厚25μm)に塗布した後、自然乾燥することによって、陽イオン交換樹脂とカーボン粒子との混合物である白金未担持電極の触媒層(厚み30μm)を得た。この触媒層を用いて実施例1の場合と同様にして燃料電池Bを作製した。すなわち、白金未担持電極の触媒層を50mmol/lの[Pt(NH]Clの水溶液(60℃)に6時間浸漬することによって、触媒層に[Pt(NH2+を吸着させた。 Next, the mixture of the cation exchange resin solution and the carbon particles is applied to a polymer sheet (PTFE sheet, film thickness 25 μm) and then naturally dried to obtain a mixture of the cation exchange resin and the carbon particles. A catalyst layer (thickness 30 μm) of the platinum unsupported electrode was obtained. Using this catalyst layer, a fuel cell B was produced in the same manner as in Example 1. That is, the catalyst layer of the platinum-unsupported electrode is immersed in an aqueous solution (60 ° C.) of 50 mmol / l [Pt (NH 3 ) 4 ] Cl 2 for 6 hours, whereby [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ is added to the catalyst layer. Was adsorbed.

次にこの電極を脱イオン水で3回洗浄したのちに、脱イオン水(60℃)に1時間浸漬した。そのあと、乾燥器(60℃)でその電極を24時間乾燥した。さらに、触媒層に吸着させた[Pt(NH2+を0.15MPa、180℃の水素雰囲気中で6時間還元することによって、触媒層に白金を析出させた。このようにして白金担持電極(白金担持量0.035mg cm−2)を作製した。この電極を5cm×5cm(25cm)の大きさに打ち抜いた後、ホットプレス(95℃、232kg cm−2、3分間保持)によって、陽イオン交換膜(ナフィオン115、デュポン社製)の両側に接合することによって、電極−陽イオン交換膜−電極の接合体を作製した。さらに、この接合体を硫酸(0.5mol l−1、80℃)に1時間浸漬したのち、脱イオン水(80℃)に1時間浸漬することによって、電極中の還元されなかった[Pt(NH2+を溶出させた。そして、この接合体の両側にカーボン繊維等からなるガス拡散層(大日本インキ製、アウスポンE02、厚さ0.2mm)を積層し、さらに、その両外側にガスケットを介してセパレータ(バイポーラプレート)を密着して積層することによって燃料電池Bとした。 Next, this electrode was washed with deionized water three times and then immersed in deionized water (60 ° C.) for 1 hour. Thereafter, the electrode was dried in a dryer (60 ° C.) for 24 hours. Furthermore, [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ adsorbed on the catalyst layer was reduced in a hydrogen atmosphere of 0.15 MPa and 180 ° C. for 6 hours to deposit platinum on the catalyst layer. Thus, a platinum carrying electrode (platinum carrying amount 0.035 mg cm −2 ) was produced. This electrode was punched to a size of 5 cm × 5 cm (25 cm 2 ), and then hot-pressed (95 ° C., 232 kg cm −2 , held for 3 minutes) on both sides of the cation exchange membrane (Nafion 115, manufactured by DuPont). By bonding, an electrode-cation exchange membrane-electrode assembly was produced. Further, the joined body was immersed in sulfuric acid (0.5 mol l −1 , 80 ° C.) for 1 hour, and then immersed in deionized water (80 ° C.) for 1 hour, whereby the electrode was not reduced [Pt ( NH 3) 4] was eluted 2+. A gas diffusion layer (Dainippon Ink, Auspon E02, thickness 0.2 mm) made of carbon fiber or the like is laminated on both sides of the joined body, and a separator (bipolar plate) is interposed on both outer sides via gaskets. Are closely stacked to form a fuel cell B.

3.電気化学的な白金表面積の測定
周知の電気化学測定法(例えば、新編 電気化学測定法(電気化学協会編(1988))に準じて、燃料電池A及び燃料電池Bの電極の水素脱離電気量QμCを測定し、この値を電極の面積で割って電極単位面積当たりの水素脱離電気量QμCとした。そして、QμCを210μC/cmで割り、さらにこの値を電極単位面積当たりの白金担持量で割ることにより、白金単位重量当たりの活性な表面積A(cmmg−1)を算出した(下記、式参照)。
A=Q/(210・単位電極面積あたりの白金量)
3. Electrochemical platinum surface area measurement According to well-known electrochemical measurement methods (for example, the new edition electrochemical measurement method (Electrochemical Society edition (1988)), the amount of hydrogen desorption electricity of the electrodes of fuel cell A and fuel cell B QμC was measured, and this value was divided by the electrode area to obtain the hydrogen desorption amount of electricity Q 1 μC per electrode unit area, and Q 1 μC was divided by 210 μC / cm 2 , and this value was further divided into the electrode unit area. The active surface area A (cm 2 mg −1 ) per platinum unit weight was calculated by dividing by the amount of platinum supported per unit (see formula below).
A = Q 1 / (210 · platinum amount per unit electrode area)

なお、作用極側にはアルゴンガス、対極側には水素ガスを加湿状態25℃の条件で、それぞれ供給して測定した。
測定の結果、燃料電池A(実施例1)の作用極の電気化学的に活性な表面積は1051.4cm/mgであった。一方、燃料電池B(比較例1)の作用極の電気化学的に活性な表面積は914.3cm/mgであった。このように燃料電池Aの電極の方が、燃料電池Bの電極よりも白金単位重量当たりの活性な表面積が大きいのは、触媒金属である白金が燃料電池Aの電極の方が、小さな粒子でかつ高分散しているからであると推測された。
In addition, argon gas was supplied to the working electrode side, and hydrogen gas was supplied to the counter electrode side under a humidified condition of 25 ° C., respectively.
As a result of the measurement, the electrochemically active surface area of the working electrode of the fuel cell A (Example 1) was 1051.4 cm 2 / mg. On the other hand, the electrochemically active surface area of the working electrode of the fuel cell B (Comparative Example 1) was 914.3 cm 2 / mg. Thus, the electrode of the fuel cell A has a larger active surface area per unit weight of platinum than the electrode of the fuel cell B. The catalyst metal platinum is smaller in the electrode of the fuel cell A than the electrode of the fuel cell A. And it was presumed that it was highly dispersed.

4 燃料電池の電流−電圧特性の測定
燃料電池A及び燃料電池Bの電流−電圧特性の測定した。カソード側には80℃で加湿した空気を供給し、アノード側には80℃で加湿した水素ガスをそれぞれ供給し、酸素の利用率40%、水素利用率80%とし、作動温度80℃とした。
4. Measurement of Current-Voltage Characteristics of Fuel Cell The current-voltage characteristics of fuel cell A and fuel cell B were measured. Air humidified at 80 ° C. is supplied to the cathode side, and hydrogen gas humidified at 80 ° C. is supplied to the anode side to obtain an oxygen utilization rate of 40% and a hydrogen utilization rate of 80%, and an operating temperature of 80 ° C. .

結果を図7のグラフに示す。燃料電池Aの300mA cm−2におけるセル電圧は0.597Vであり燃料電池Bと比べて47mV向上した。
以上の結果より本発明の製造方法により製造された燃料電池用電極を用いると、燃料電池の出力が向上することが分かった。
The results are shown in the graph of FIG. The cell voltage of the fuel cell A at 300 mA cm −2 was 0.597 V, which was 47 mV higher than that of the fuel cell B.
From the above results, it was found that the output of the fuel cell was improved when the fuel cell electrode produced by the production method of the present invention was used.

5 アルコールの種類の検討
次に、アルコールを含むカーボン粒子を調製する際のアルコールの種類について検討した。ここでは、実施例1におけるイソプロピルアルコールの代わりにメタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、2−メチル−2−プロパノール、1−ブタノール、1−ヘキサノール、1−オクタノール、エチレングリコールをそれぞれ用いた場合について検討した。
なお、これらのアルコールを用いたこと以外は、実施例1と同様にして触媒層(電極)を作製した。
そして、陽イオン交換樹脂溶液とアルコールとカーボン粒子との混合物を高分子シートに塗布し白金未担持電極の触媒層(電極)を得る際の成形性、及び電気化学的な白金表面積を評価した。結果を表1に示す。
5. Examination of the kind of alcohol Next, the kind of alcohol at the time of preparing the carbon particle containing alcohol was examined. Here, instead of isopropyl alcohol in Example 1, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 2-methyl-2-propanol, 1-butanol, 1-hexanol, 1-octanol, and ethylene glycol were used. Considered the case.
A catalyst layer (electrode) was produced in the same manner as in Example 1 except that these alcohols were used.
And the moldability at the time of obtaining the catalyst layer (electrode) of a platinum unsupported electrode by apply | coating the mixture of a cation exchange resin solution, alcohol, and a carbon particle to a polymer sheet and evaluating the platinum surface area was evaluated. The results are shown in Table 1.

Figure 2005222812
Figure 2005222812

表1よりいずれのアルコールを用いた場合も触媒層の成形性は良好であった。しかし、炭素数4以下の1価のアルコール(メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、2−メチル−2−プロパノール、1−ブタノール)を用いた場合の方が、炭素数5以上のアルコール(1−ヘキサノール、1−オクタノール)や、二価のアルコール(エチレングリコール)の場合よりも、白金単位重量当たりの活性な表面積が大きい結果となった。これは、炭素数4以下の1価のアルコールは、陽イオン交換樹脂との親和性が高く、カーボン粒子表面の陽イオン交換樹脂溶液に対する濡れ性の改善に優れているからであると推測される。   From Table 1, when any alcohol was used, the moldability of the catalyst layer was good. However, when a monovalent alcohol having 4 or less carbon atoms (methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 2-methyl-2-propanol, 1-butanol) is used, an alcohol having 5 or more carbon atoms is used. As a result, the active surface area per unit weight of platinum was larger than that of (1-hexanol, 1-octanol) or divalent alcohol (ethylene glycol). This is presumed to be because monohydric alcohol having 4 or less carbon atoms has high affinity with the cation exchange resin and is excellent in improving the wettability of the carbon particle surface to the cation exchange resin solution. .

6 カーボン粒子とアルコールとの混合割合の検討
次に、アルコールを含むカーボン粒子を調製する際のカーボン粒子とアルコールとの混合割合を検討した。
ここでは、カーボン粒子とイソプロピルアルコールとをハイブリッドミキサーを用いて混合してアルコールを含むカーボン粒子を得る際に、カーボン粒子とイソプロピルアルコールとの混合割合を変えた。
なお、この混合割合を変えたこと以外は、実施例1と同様にして触媒層(電極)を作製した。
そして、陽イオン交換樹脂溶液とアルコールとカーボン粒子との混合物を高分子シートに塗布し白金未担持電極の触媒層(電極)を得る際の成形性、及び電気化学的な白金表面積を評価した。結果を表2に示す。
6. Examination of mixing ratio of carbon particles and alcohol Next, the mixing ratio of carbon particles and alcohol when preparing carbon particles containing alcohol was examined.
Here, when mixing carbon particles and isopropyl alcohol using a hybrid mixer to obtain carbon particles containing alcohol, the mixing ratio of the carbon particles and isopropyl alcohol was changed.
A catalyst layer (electrode) was produced in the same manner as in Example 1 except that the mixing ratio was changed.
And the moldability at the time of obtaining the catalyst layer (electrode) of a platinum unsupported electrode by apply | coating the mixture of a cation exchange resin solution, alcohol, and a carbon particle to a polymer sheet and evaluating the platinum surface area was evaluated. The results are shown in Table 2.

Figure 2005222812
Figure 2005222812

カーボン粒子1重量部に対してアルコールが5〜20重量部の場合に、特に、白金単位重量当たりの活性な表面積が大きかった。
これは、この範囲内において、カーボン粒子表面の濡れ性が著しく改善されるためである推測される。一方、この範囲よりもアルコールが多くなると、陽イオン交換樹脂溶液とアルコールとカーボン粒子との混合物の粘度が低くなりすぎるため、シートへの成形が困難であった。
When the amount of alcohol was 5 to 20 parts by weight with respect to 1 part by weight of the carbon particles, the active surface area per unit weight of platinum was particularly large.
This is presumed to be because the wettability of the carbon particle surface is remarkably improved within this range. On the other hand, when the amount of alcohol exceeds this range, the viscosity of the mixture of the cation exchange resin solution, the alcohol and the carbon particles becomes too low, so that it is difficult to form the sheet.

従来のカーボン粒子の模式図Schematic diagram of conventional carbon particles 図1の拡大図Enlarged view of FIG. 従来の触媒担持カーボン粒子の模式図Schematic diagram of conventional catalyst-supported carbon particles 本発明の製造方法によるカーボン粒子の模式図Schematic diagram of carbon particles produced by the production method of the present invention 図4の拡大図Enlarged view of FIG. 本発明の製造方法による触媒担持カーボン粒子の模式図Schematic diagram of catalyst-supported carbon particles by the production method of the present invention 燃料電池の電流−電圧特性を示すグラフGraph showing the current-voltage characteristics of a fuel cell

符号の説明Explanation of symbols

1…カーボン粒子
3…陽イオン交換樹脂
5…クラスター部分
7…触媒金属粒子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Carbon particle 3 ... Cation exchange resin 5 ... Cluster part 7 ... Catalyst metal particle

Claims (1)

アルコールを含むカーボン粒子を作製する第1の工程と、
前記第1の工程で得られた前記アルコールを含むカーボン粒子と、陽イオン交換樹脂溶液とを混合して、陽イオン交換樹脂溶液とアルコールとカーボン粒子とを含む混合物Aを得る第2の工程と、
前記第2の工程で得られた陽イオン交換樹脂溶液とアルコールとカーボン粒子を含む混合物Aから溶媒を除去して、陽イオン交換樹脂とカーボン粒子とを含む混合物Bを得る第3の工程と、
前記第3の工程で得られた陽イオン交換樹脂とカーボン粒子とを含む混合物B中の陽イオン交換樹脂の対イオンに、触媒金属の陽イオンを吸着させる第4の工程と、
前記第4の工程で陽イオン交換樹脂の対イオンに吸着した触媒金属の陽イオンを化学的に還元する第5の工程と、を経ることを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
A first step of producing carbon particles containing alcohol;
A second step of mixing the carbon particles containing the alcohol obtained in the first step with a cation exchange resin solution to obtain a mixture A containing the cation exchange resin solution, the alcohol and the carbon particles; ,
A third step of removing the solvent from the mixture A containing the cation exchange resin solution and the alcohol and carbon particles obtained in the second step to obtain a mixture B containing the cation exchange resin and the carbon particles;
A fourth step of adsorbing the cation of the catalytic metal to the counter ion of the cation exchange resin in the mixture B containing the cation exchange resin and carbon particles obtained in the third step;
And a fifth step of chemically reducing the cation of the catalytic metal adsorbed on the counter ion of the cation exchange resin in the fourth step, and a method for producing an electrode for a fuel cell.
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